9(22)Моделирование данных. Основные цели моделирования, критерии, качества модели данных

Моделирование данных

Основные цели моделирования данных состоят в изучении значения (семантики) данных и упрощении процедур описания требований к данным. При создании модели данных необходимо получить информацию о сущностях, связях и атрибутах. Полученные дополнительные сведения помогут разработчикам раскрыть особенности семантики корпоративных данных, которые существуют независимо от того, отмечены они в формальной модели данных или нет. Сущности, связи и атрибуты являются фундаментальными информационными объектами любого предприятия. Моделирование данных должно гарантировать понимание чего:

• требования к данным отдельных пользователей;

• характер самих данных независимо от их физического представления;

• использование данных в пределах области применения приложения.

Модели данных могут использоваться для демонстрации понимания разработчиком тех. требований к данным, которые существуют на предприятии. Если обе стороны знакомы с системой обозначений, используемой для создания модели, то наличие модели данных будет способствовать более плодотворному общению пользователей и разработчиков. На предприятиях все шире применяются средства стандартизации для моделирования данных путем выбора определенного метода моделирования и использования его во всех проектах разработки базы данных. Самая популярная технология высокоуровневого моделирования данных, чаще всего используемая при разработке реальных баз данных, построена на концепции модели "сущность-связь" (Entity-Relationship model — ER-модель).

Критерии оценки модели данных

Оптимальная модель данных должна удовлетворять критериям, перечисленным в таблице. Однако иногда эти критерии несовместимы, поэтому приходится идти на некоторый компромисс. Например, в погоне за наибольшей выразительностью модели данных можно утратить ее простоту.

Их восем

1. Структурная достоверность

2. Простота

3. Выразительность

4. Отсутствие избыточности

5. Способность совместного использования

6. Расширяемость

7. Целостность

8. Схематическое представление

Чо, лекции не писал?

10(32)Информационное моделирование. Цель, методы, модель, сущность, связь, источники информации и для построения моделей

Модель "сущность-связь" (ER-модель)

Прежде, чем приступать к созданию системы автоматизированной обработки информации, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для того, чтобы привести эти понятия к той или иной модели данных, необходимо заменить их информационными представлениями. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model).

Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для нас является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.

Элементы модели

Любой фрагмент предметной области может быть представлен как множество сущностей, между которыми существует некоторое множество связей. Дадим определения:

Сущность (entity) - это объект, который может быть идентифицирован неким способом, отличающим его от других объектов. Примеры: конкретный человек, предприятие, событие и т.д.

Набор сущностей (entity set) - множество сущностей одного типа (обладающих одинаковыми свойствами). Примеры: все люди, предприятия, праздники и т.д. Наборы сущностей не обязательно должны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая к набору МУЖЧИНЫ, также принадлежит набору ЛЮДИ.

Сущность фактически представляет из себя множество атрибутов, которые описывают свойства всех членов данного набора сущностей.

В дальнейшем для определения сущности и ее атрибутов будем использовать обозначение вида

СОТРУДНИК (ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР, ИМЯ, ВОЗРАСТ).

Множество значений (область определения) атрибута называется доменом.

Отсюда определяется ключ сущности - группа атрибутов, такая, что отображение набора сущностей в соответствующую группу наборов значений является взаимнооднозначным отображением. Другими словами: ключ сущности - это один или более атрибутов уникально определяющих данную сущность. В нашем примере ключем сущности СОТРУДНИК является атрибут ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР (конечно, только в том случае, если все табельные номера на предприятии уникальны).

Связь (relationship) - это ассоциация, установленная между несколькими сущностями. Примеры:

• поскольку каждый сотрудник работает в каком-либо отделе, между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ существует связь "работает в" или ОТДЕЛ-РАБОТНИК;

• так как один из работников отдела является его руководителем, то между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ имеется связь "руководит" или ОТДЕЛ-РУКОВОДИТЕЛЬ;

• могут существовать и связи между сущностями одного типа, например связь РОДИТЕЛЬ - ПОТОМОК между двумя сущностями ЧЕЛОВЕК;

(В скобках здесь следует отметить, что в методике проектирования данных есть своеобразное правило хорошего тона, согласно которому сущности обозначаются с помощью имен существительных, а связи - глагольными формами. Данное правило, однако, не является обязательным)

К сожалению, не существует общих правил определения, что считать сущностью, а что связью. В рассмотренном выше примере мы положили, что "руководит" - это связь. Однако, можно рассматривать сущность "руководитель", которая имеет связи "руководит" с сущностью "отдел" и "является" с сущностью "сотрудник".

Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи ОТДЕЛ-РАБОТНИК можно задать атрибут СТАЖ_РАБОТЫ_В_ОТДЕЛЕ.

Роль сущности в связи - функция, которую выполняет сущность в данной связи. Например, в связи РОДИТЕЛЬ-ПОТОМОК сущности ЧЕЛОВЕК могут иметь роли "родитель" и "потомок". Указание ролей в модели "сущность-связь" не является обязательным и служит для уточнения семантики связи.

Набор связей (relationship set) - это отношение между n (причем n не меньше 2) сущностями, каждая из которых относится к некоторому набору сущностей.

Пример:

сущности наборы сущностей

 

---------- ----------------

 

e1 принадлежит E1

 

e2 принадлежит E2

 

. . .

 

en принадлежит En

 

 

тогда [e1,e2,...,en] - набор связей R

Хотя, сторого говоря, понятия "связь" и "набор связей" различны (первая является элементом второго), их, тем не менее, очень часто смешивают. Поэтому, мы, не претендуя на академическую строгость, в дальнейшем также будем часто пользоваться терминами "связь" имея в виду "набор связей" и "сущность" имея в виду "набор сущностей".

В случае n=2, т.е. когда связь объединяет две сущности, она называется бинарной. Доказано, что n-арный набор связей (n>2) всегда можно заменить множеством бинарных, однако первые лучше отображают семантику предметной области.

То число сущностей, которое может быть ассоциировано через набор связей с другой сущностью, называют степенью связи. Рассмотрение степеней особенно полезно для бинарных связей. Могут существовать следующие степени бинарных связей:

Один к одному (обозначается 1 : 1 )

Это означает, что в такой связи сущности с одной ролью всегда соответствует не более одной сущности с другой ролью. В рассмотренном нами примере это связь "руководит", поскольку в каждом отделе может быть только один начальник, а сотрудник может руководить только в одном отделе. Данный факт представлен на следующем рисунке, где прямоугольники обозначают сущности, а ромб - связь. Так как степень связи для каждой сущности равна 1, то они соединяются одной линией.

Таким образом, говорят, что сущность "СОТРУДНИК" имеет обязательный класс принадлежности (этот факт обозначается также указанием интервала числа возможных вхождений сущности в связь, в данном случае это 1,1), а сущность "ОТДЕЛ" имеет необязательный класс принадлежности (0,1). Теперь данную связь мы можем описать как 0,1:1,1. В дальнейшем кардинальность бинарных связей степени 1 будем обозначать следующим образом:

Один ко многим ( 1 : n )

В данном случае сущности с одной ролью может соответствовать любое число сущностей с другой ролью. Такова связь ОТДЕЛ-СОТРУДНИК. В каждом отделе может работать произвольное число сотрудников, но сотрудник может работать только в одном отделе. Графически степень связи n отображается "древообразной" линией, так это сделано на следующем рисунке.

Данный рисунок дополнительно иллюстрирует тот факт, что между двумя сущностями может быть определено несколько наборов связей.

Здесь также необходимо учитывать класс принадлежности сущностей. Каждый сотрудник должен работать в каком-либо отделе, но не каждый отдел (например, вновь сформированный) должен включать хотя бы одного сотрудника. Поэтому сущность "ОТДЕЛ" имеет обязательный, а сущность "СОТРУДНИК" необязательный классы принадлежности. Кардинальность бинарных связей степени n будем обозначать так:

Много к одному (n : 1 )

Эта связь аналогична отображению 1 : n. Предположим, что рассматриваемое нами предприятие строит свою деятельность на основании контрактов, заключаемых с заказчиками. Этот факт отображается в модели "сущность-связь" с помощью связи КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК, объединяющей сущности КОНТРАКТ(НОМЕР, СРОК_ИСПОЛНЕНИЯ, СУММА) и ЗАКАЗЧИК(НАИМЕНОВАНИЕ, АДРЕС). Так как с одним заказчиком может быть заключено более одного контракта, то связь КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК между этими сущностями будет иметь степень n : 1.

В данном случае, по совершенно очевидным соображениям (каждый контракт заключен с конкретным заказчиком, а каждый заказчик имеет хотя бы один контракт, иначе он не был бы таковым), каждая сущность имеет обязательный класс принадлежности.

Многие ко многим ( n : n )

В этом случае каждая из ассоциированных сущностей может быть представлена любым количеством экземпляров. Пусть на рассматриваемом нами предприятии для выполнения каждого контракта создается рабочая группа, в которую входят сотрудники разных отделов. Поскольку каждый сотрудник может входить в несколько (в том числе и ни в одну) рабочих групп, а каждая группа должна включать не менее одного сотрудника, то связь между сущностями СОТРУДНИК и РАБОЧАЯ_ГРУППА имеет степень n : n.

Если существование сущности x зависит от существования сущности y, то x называется зависимой сущностью (иногда сущность x называют "слабой", а "сущность" y - сильной). В качестве примера рассмотрим связь между ранее описанными сущностями РАБОЧАЯ_ГРУППА и КОНТРАКТ. Рабочая группа создается только после того, как будет подписан контракт с заказчиком, и прекращает свое существование по выполнению контракта. Таким образом, сущность РАБОЧАЯ_ГРУППА является зависимой от сущности КОНТРАКТ. Зависимую сущность будем обозначать двойным прямоугольником, а ее связь с сильной сущностью линией со стрелкой:

Заметим, что кардинальность связи для сильной сущности всегда будет (1,1). Класс принадлежности и степень связи для зависимой сущности могут быть любыми. Предположим, например, что рассматриваемое нами предприятие пользуется несколькими банковскими кредитами, которые представляются набором сущностей КРЕДИТ(НОМЕР_ДОГОВОРА,СУММА, СРОК_ПОГАШЕНИЯ, БАНК). По каждому кредиту должны осуществляться выплаты процентов и платежи в счет его погашения. Этот факт представляется набором сущностей ПЛАТЕЖ(ДАТА, СУММА) и набором связей "осуществляется по". В том случае, когда получение запланированного кредита отменяется, информация о нем должна быть удалена из базы даных. Соответственно, должны быть удалены и все сведения о плановых платежах по этому кредиту. Таким образом, сущность ПЛАТЕЖ зависит от сущности КРЕДИТ.

В отношениях не должно быть повторяющихся кортежей. Поэтому необходимо иметь возможность уникальной идентификации каждого отдельного кортежа отношения по значениям одного или нескольких атрибутов (называемых реляционными ключами), В этом разделе описывается терминология, используемая для обозначения реляционных ключей. Суперключ (superkey). Атрибут или множество атрибутов, которое единственным образом идентифицирует кортеж данного отношения. Суперключ однозначно обозначает каждый кортеж в отношении. Но суперключ может содержать дополнительные атрибуты, которые необязательны для уникальной идентификации кортежа, поэтому нас будут интересовать суперключи, состоящие только из тех атрибутов, которые действительно необходимы для уникальной идентификации кортежей. Потенциальный ключ. Суперключ, который не содержит подмножества, также являющегося суперключом данного отношения. Потенциальный ключ К для данного отношения R обладает двумя свойствами. Уникальность. В каждом кортеже отношения R значение ключа К единственным образом идентифицируют этот кортеж. Неприводимость. Никакое допустимое подмножество ключа К не обладает свойством уникальности. Отношение может иметь несколько потенциальных ключей. Если ключ состоит из нескольких атрибутов, то он называется составным ключом. Обратите внимание на то, что любой конкретный набор кортежей отношения нельзя использовать для доказательства того, что некий атрибут или комбинация атрибутов являются потенциальным ключом. Тот факт, что в некоторый момент времени не существует значений-дубликатов, совсем не означает, что их не может быть вообще. Однако наличие значений-дубликатов в конкретном существующем наборе кортежей вполне может быть использовано для демонстрации того, что некоторая комбинация атрибутов не может быть потенциальным ключом. Для идентификации потенциального ключа требуется знать смысл используемых атрибутов в "реальном мире"; только это позволит обоснованно принять решение о возможности существования значений-дубликатов. Только исходя из подобной семантической информации можно гарантировать, что некоторая комбинация атрибутов является потенциальным ключом отношения. Первичный ключ. Потенциальный ключ, который выбран для уникальной идентификации кортежей внутри отношения. Поскольку отношение не содержит кортежей-дубликатов, всегда можно уникальным образом идентифицировать каждую его строку. Это значит, что отношение всегда имеет первичный ключ. В худшем случае все множество атрибутов может использоваться как первичный ключ, но обычно, чтобы различить кортежи, достаточно использовать несколько меньшее подмножество атрибутов. Потенциальные ключи, которые не выбраны в качестве первичного ключа, называются альтернативными ключами. Внешний ключ. Атрибут или множество атрибутов внутри отношения, которое соответствует потенциальному ключу некоторого (может быть, того же самого) отношения. Если некий атрибут присутствует в нескольких отношениях, то его наличие обычно отражает определенную связь между кортежами этих отношений.

Выявление множества функциональных зависимостей для отношения осуществляется в целях определения множества ограничений целостности, которые должны распространяться на это отношение. Прежде всего необходимо рассмотреть такое важное ограничение целостности, как определение потенциальных ключей, один из которых должен быть выбран в качестве первичного ключа для отношения.

Чтобы определить потенциальный ключ (ключи) для некоторого отношения, необходимо установить, какой атрибут (или группа атрибутов) однозначно идентифицирует каждую строку в этом отношении. Если отношение имеет несколько потенциальных ключей, необходимо установить, какой потенциальный ключ должен применяться в качестве первичного для этого отношения. Все атрибуты, которые не входят в состав первичного ключа (называемые атрибутами, отличными от атрибутов первичного ключа), должны быть функционально зависимыми от этого ключа.